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基于 ARM9 和 Linux 的嵌入式小区智能娱乐点播系统设计 编 制:校 对:审 核:批 准:摘 要 本项目实现了一款基于 ARM Linux 操作系统和 Qt/Embedded 图形系统的嵌入式视 频点播系统。该系统提供美观、友好的图形用户界面。用户可方便地进行播放、停止、 暂停、选曲等操作。mplayer 播放器输出的音频视频品质优良。 VOD 是 Video On Demand 的缩写，即视频点播的意思。顾名思义，它是一种可以 按用户需要点播节目的交互式视频系统，或者更广义一点讲，它可以为用户提供各种交 互式信息服务。交互式视频点播系统一般由 VOD 前端处理系统、传输网络、用户机顶 盒三个部分组成。 交互式 VOD 集互联网、多媒体、通讯等多种技术于一体，向用户提供包括数字电 视在内的多种交互式服务的崭新技术。 本设计将研究目标定位是设计一个GEC2440+液晶屏的视频点播系统。采用的硬 件环境为国内外广泛使用的 ARM9 处理器 S3C2440，操作系统采用的是嵌入式 Linux 家 族中的 ARM Linux。 目 录 1 绪论 .6 1.1 嵌入式系统概述.6 1.3 项目内容和实现关键部分说明 .7 2 系统总体设计 .8 2.1 系统概述.8 2.2 服务器端设计.9 2.2.1 FTP 服务器 .9 2.2.2 目录服务器 .9 2.3 客户端设计框架.9 2.4 ARM 微处理器.9 2.4.1 ARM 概述.9 2.4.2 ARM 微处理器的特点 .10 2.4.3 ARM 微处理器系列.10 2.5 嵌入式操作系统.11 2.5.1 嵌入式系统软件结构体系 .11 2.5.2 嵌入式操作系统简介 .11 2.5.3 Linux 操作系统简介.12 2.6 QT/EMBEDDED 用户界面 .14 3 系统硬件设计 .16 3.1 嵌入式系统硬件结构 .16 3.2 GEC2440 结构.16 3.3 GEC2440 硬件资源.17 3.4 S3C2440 简介 .18 4 系统软件设计 .19 4.1 搭建嵌入式 LINUX 开发环境.19 4.1.1 建立交叉编译工具链 .20 4.1.2 超级终端 .21 4.1.3 NFS 配置.21 4.2 BOOTLOADER 移植 .22 4.3 LINUX 内核配置移植.24 4.3.1 Linux 内核结构.24 4.3.2 Linux 内核配置.25 4.3.3 Linux 内核编译.27 4.4 根文件系统制作.28 4.4.1 文件系统结构 .28 4.4.2 常见的嵌入式文件系统简介 .29 4.4.3 建立根目录和拷贝动态链接库 .30 4.4.4 交叉编译 busybox.30 4.4.5 交叉编译 bash.30 4.4.6 建立系统配置文件 .31 4.5 MPLAYER 播放器移植.31 4.6 目录服务器.32 4.7 人员配备.324.8 开发周期.32 1 绪论 1.1 嵌入式系统概述 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可以配置，通常对功能、 可靠性、成本、体积、功耗有严格约束的一种专用计算机系统。嵌入式系统所使用的计 算机称为嵌入式计算机。当前先进的嵌入式系统，通常由嵌入式微处理器、外围硬件设 备、嵌入式操作系统以及嵌入式应用程序四个部分组成，实现对其它设备的控制、监视、 管理等功能。在物理结构和外观上，可根据具体应用的特点，以箱体、单板、单片或者 分布结点等形式嵌埋于应用系统或者设备中。狭义而言，人们一般将深埋在宿主设备中 的、使用者不可见的微处理器系统，称为嵌入式系统，常见的单片机系统就是一种典型 的初级嵌入式系统。广义而言，若计算机作为某种技术过程的核心处理环节，直接与外 界自然的接口和互动，按照环境事件的节拍主动、协调地做出响应，则我们可以认为该 计算机被嵌入到这个具体的技术过程中，称为一种嵌入式计算机。包含嵌入式计算 机，实现这种技术过程的系统，就可以看作为嵌入式系统。在大系统中，嵌入式计算机 不一定是可见的。从计算机的工作模式来说，绝大多数嵌入式系统中的计算机运行于一 种实时计算的模式。德国工业标准 DIN44330 将实时计算模式定义为实时计算模式是 一种计算机系统的操作模式。在这种模式下，处理从外部输入的数据的程序总是就绪的。 所以，可以在可以预测的时间内得到希望的结果；外部数据到达的时间可以是随机分布， 也可以是预先决定的，具体情况由不同应用决定。实时性是一般嵌入式应用的内在要 求。根据应用所强调的属性的不同，可以将这种计算机基于 ARM Linux 和 Qt/Embedded 的嵌入式视频点播系统的研究和实现应用系统，称为嵌入式系统、实时系统或者嵌入式 实时系统。嵌入式计算机系统广泛地应用于办公自动化、消费、通信、汽车、工业和军 事领域。典型应用包括：过程控制、网络通信、智能仪器、消费电子、计算机外设以及 军事电子等。 与通用计算机系统相比，嵌入式计算机系统具有以下的特点： （ 1）及时响应：嵌入式系统是某种技术过程的核心处理环节，必须满足技术过程 中的处理时间限制的要求。 （ 2）并发处理：现实应用中，嵌入式系统需要实时处理的外部事件通常都不是单 一的。这些事件是随机发生的，并且可能同时出现。因此，嵌入式处理具有分布和并发 6 的特点。 （ 3）专用紧凑：由于嵌入式设备的用途固定、成本敏感，软硬件资源够用即可。 因此，在体积、功耗和配置等方面有明显的约束。 （ 4）健壮可靠：嵌入式产品的使用人员多为非计算机专业人员，且使用环境可能 不固定，往往条件恶劣。因此，健壮性和可靠性也是嵌入式系统的必要条件。 （ 5）多样性：嵌入式系统应用广泛、形式多样。 （ 6）技术密集：嵌入式系统通常是计算机技术、微电子技术和具体应用行业技术 结合的产物。因此，它必然是一个技术密集、需要不断创新的知识集成系统。 （ 7）开发困难：嵌入式系统本身不具备自举开发的功能。设计完成以后，用户也 1 不能对其中的程序功能进行修改。嵌入式系统开发通常需要一套专门的工具和环境 。 1.3 项目内容和实现关键部分说明 根据目前国内外对嵌入式的研究和开发，结合实际的实验条件，本项目使用硬件平 台广东省嵌入式软件公共技术中心开发的 GEC2440 开发板作为目标机，使用安装 Windows XP 的 PC 机作为宿主机，并在宿主机 Windows 平台上安装了一个虚拟机软件， 虚拟机里安装的是 Red Hat EnterpriseLinux 4 作为开发环境。主要实现工作包括:在宿主 机上安装交叉编译工具，建立交叉编译环境，配置 NFS、超级终端以建立嵌入式软件平 台。针对项目需求实现对驱动程序的完善和移植，制作适合此开发板的根文件系统。 7 2 系统总体设计 2.1 系统概述 交互式网络 VOD 构架如图 2.1 所示： Mplayer 播放器 网络点播 连接 ftp 服务器 播放 Vod 客户端 启动 客户端 返回影片信息 索取影片信息 目录服务器 服务器 图 2.1 交互式 VOD 共有四个部分组成： （ 1）ftp 服务器，主要提供片源服务，流媒体服务，这里我们选择 Serv-U 服务器软 件。此软件为一个 ftp 服务器软件！可将本机的指定文件夹对外提供 ftp 服务。 （ 2）目录服务器软件，主要提供服务器上各个影片信息，主要包括片名，演员表， 内容简介，影片大小以及完成片名和影片实际地址的转换。应与 ftp 服务器为同一台机 器。 （ 3）VOD 客户端，主要采用 QTE 图形界面，用来显示服务器上的影片列表，和 影片信息，取得各影片的实际地址。调用播放器播放影片。 （ 4）Mplayer 播放器，由 VOD 客户端调用，播放影片。 8 2.2 服务器端设计 2.2.1 FTP 服务器 本设计网络服务器的 FTP 服务器，采用的 FTP 服务器软件为 Serv-U，Serv-U 是一 种被广泛运用的 FTP 服务器端软件，支持 9x/ME/NT/2K 等全 Windows 系列。它设置 简单，功能强大，性能稳定。FTP 服务器用户通过它用 FTP 协议能在 internet 上共享 文件。它并不是简单地提供文件的下载，还为用户的系统安全提供了相当全面的保护。 2.2.2 目录服务器 由于 FTP 服务器采用的软件是基于 Windows 操作系统的，而目录服务器和 FTP 服 务器必须为同一个 IP 地址。 2.3 客户端设计框架 GEC2440原型系统体系结构如图 2.2： 应用程序 播放器 浏览器 QPE 桌面环境 C 库+QT 库 内核 驱动程序 底层硬件 图 2.2 机顶盒原型系统体系结构 2.4 ARM 微处理器 本设计选用的底层硬件为基于 ARM9 的硬件构架。现对 ARM 做简单介绍。 2.4.1 ARM 概述 ARM(Advanced RISC Machines)，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对 一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。 ARM 公司是专门从事基于 RISC 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商， 9 本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大 半导体生产商从 ARM 公司购买其设计的 ARM 微处理器核，根据各自不同的应用领域， 加入适当的外围电路，从而形成自己的 ARM 微处理器芯片进入市场。目前，全世界有 几十家大的半导体公司都使用 ARM 公司的授权，因此既使得 ARM 技术获得更多的第 三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费 者所接受，更具有竞争力。 目前，采用 ARM 技术知识产权(IP)核的微处理器，即我们通常所说的 ARM 微处理 器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市 场，基于 ARM 技术的微处理器的应用大约占据了 32 位 RISC 微处理器 75%以上的市场 2 份额，ARM 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面 。 2.4.2 ARM 微处理器的特点 采用 RISC 架构的 ARM 微处理器一般具有如下特点: （ 1）体积小、低功耗、低成本、高性能; （ 2）支持 Thumb(16 位)/ARM(32 位)双指令集，能很好的兼容 8 位/16 位器件; （ 3）大量使用寄存器，指令执行速度更快; （ 4）大多数数据操作都在寄存器中完成; （ 5）寻址方式灵活简单，执行效率高; （ 6）指令长度固定。 基于这一系列优点，ARM 处理器适用于多种领域，比如嵌入式控制、消费/教育类 多媒体、DSP 和移动式应用等。 2.4.3 ARM 微处理器系列 ARM 微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于 ARM 体系结构的处理 器。除了具有 ARM 体系结构的共同特点以外，每一个系列的 ARM 微处理器都有各自 的特点和应用领域。 （ 1）ARM7 系列 （ 2）ARM9 系列 本文所用的 ATMEL 公司的 AT91RM920T 即属于该系列的处理器。 （ 3）ARM9E 系列 10 （ 4）ARM10E 系列 （ 5）SecurCore 系列 （ 6）Intel 的 Xscale 处理器 （ 7）Intel 的 StrongARM 2.5 嵌入式操作系统 2.5.1 嵌入式系统软件结构体系 现代嵌入式系统软件结构可以分为四个层次：设备驱动、操作系统、应用中间件和 应用程序，如图 2.3 所示。 应用程序 API（应用程序接口） 嵌入式操作系统 基本部分 电源管理 OS Core 文件系统 GUI 管理器 扩展部分 TCP/IP 浏览器 数据库 WAP HTTP DDI（设备驱动接口） CPU 等外围硬件设备 图 2.3 嵌入式系统软件结构体系 2.5.2 嵌入式操作系统简介 嵌入式操作系统(Embedded Operating System，EOS)，是操作系统的一种，是在传统 操作系统基础上加入符合嵌入式应用的元素发展而来，它负责嵌入式系统的全部软、硬 件资源的分配、调度、控制和协调。嵌入式操作系统必须体现它所在系统的特征，能够 通过加载或卸载某些模块来达到系统所要求的功能。 嵌入式操作系统除了具备一般操作系统最基本的功能(如任务调度、同步机制、中 11 断处理、文件处理等)外，还有以下的特点: （ 1）强稳定性。 （ 2）较强的实时性:嵌入式操作系统一般实时性较强，可用于各种设备的控制中。 （ 3）可伸缩性:开放、可伸缩的体系结构。 （ 4）外设接口的统一性:提供各种设备驱动接口。 目前国际上用于信息电器的嵌入式操作系统有 40 种左右。国内常见的嵌入式操作 系统有 Linux、uClinux、WindowsCE、VxWorks、QNX、eCos、PalmOS、Symbian、uC/OS- 等。 其中嵌入式 Linux 和 WindowsCE 都是从台式机的操作系统演变而来。而 VxWorks、 QNX、eCos，、PalmOS、和 Symbian 等则是专门根据嵌入式系统应用需求设计的操作系 统。 嵌入式操作系统又可按实时性要求分为两大类: （ 1）实时操作系统(Real-Time Operating System，RTOS):是指操作系统本身要能在 一个固定时限内对程序调用(或外部事件)做出正确的反应，也就是对时序与稳定性的要 求十分严格。目前较为知名的实时操作系统有 VxWorks、Nucleus Plus、OS/9、VRTX、 RT-Linux、BlueCat RT 等。 （ 2）通用性操作系统:也叫非实时性操作系统，这类操作系统在执行性能和反应速 度方面，比起实时操作系统没有那么严格。目前较知名的通用型操作系统有 Windows 2 CE、Palm OS、TimeSys Linux/GPL 和 BlueCat Linux 等等 。 2.5.3 Linux 操作系统简介 Linux 是一种类 UNIX 操作系统。兼容 POSIX 1003.1 标准，并包含了 UNIX System V 和 BSD 4.3 的大部分特征。它充分体现了操作系统的方展趋势，即开放、稳定、标准。 Linux 具有如下的特征： (1)真正的多用户、多任务操作系统。 (2)符合 POSIX（可移植操作系统接口）标准。 (3)采用页式存储管理。 (4)支持动态链接库。 (5)提供具有内置安全措施的分层文件系统。 (6)提供 Shell 命令解释程序和编程语言。 12 (7)提供强大的管理功能，包括远程管理功能。 (8)提供内核编程接口。 (9)具备图形用户接口。 (10)具备大量的实用程序和通信、联网工具。 (11)大量高级程序设计语言已经被移植到 Linux 系统上，因此它是理想的应用程序 3 开发平台 。 Linux 作为桌面操作系统的应用正在不断增长。而在服务器市场，Linux 已经可以同 各种传统的商业操作系统分庭抗礼，占据了相当大的市场份额。同时，在嵌入式领域 4 Linux 的应用也得到的飞速的发展，这与 Linux 本身的优良特性 密不可分： （ 1）开放源码，丰富的软件资源。Linux 遵循 GPL，保障用户可以免费获得内核源 代码。由于嵌入式系统千差万别，往往需要针对具体应用修改和优化系统，此时能否获 得源代码就至关重要。Linux 上的软件资源十分丰富。在 Linux 上开发应用程序可以借 鉴已有的类似的自由软件，可以节省开发的工作量，缩短开发时间。 （ 2）功能强大的内核，性能高效、稳定、多任务。并且 Linux 的内核小巧灵活， 易于裁减。使得 Linux 适合嵌入式系统的应用。 （ 3）支持多种体系结构：X86、ARM、MIPS、SPARC 等。目前，Linux 已经被移 植到数十种硬件平台之上。几乎所有流行的 CPU，Linux 都支持。 （ 4）完善的网络通信、图形和文件管理机制。Linux 本身就是 Internet 的产物，网 络是 Linux 的强项。另外，Linux 支持 ext2、fat16、fat32、romfs 等多种文件系统。在图 形系统方面，Linux 上既有成熟的 XWindow，也有 Qt/Embedded、MiniGUI 等嵌入式图 形系统。 （ 5）支持大量的周边硬件设备，驱动程序资源丰富。Linux 上的驱动已经非常丰富， 支持各种主流硬件设备和最新的硬件技术。并且随着 Linux 的广泛应用，许多芯片厂商 已经开始提供针对 Linux 的驱动程序。 （ 6）易于针对具体应用定制。Linux 内核与用户界面完全独立，各部分的第 3 章嵌 入式系统与嵌入式 Linux 可定制性都很强，能适合多种需求，特别是硬件资源有限的嵌 入式系统。 目前，世界上许多大学、研究机构和知名公司都加入到嵌入式 Linux 的开发工作中， 较成熟的嵌入式 Linux 版本不断涌现，如 RT-Linux、Embedix、XLinux、uClinux 以及本 13 研究中使用的、运行在 ARM 平台上的 ARM Linux。 2.6 Qt/Embedded 用户界面 当前嵌入式 Linux 在手机、PDA 等手持信息设备领域的应用十分广泛。各种手持设 15 备是否拥有图形用户界面 (GUI)己经成为其人机交互技术的关键体现，所以一个十分 友好的图形用户界面(GUI)是必不可少的。嵌入式 GUI 是嵌入式系统广泛应用的人机交 互接口。嵌入式系统有限的硬件资源要求嵌入式 GUI 必须简单、直观、可靠、占用资源 小且反应快速。由于嵌入式系统硬件本身的多样性，嵌入式 GUI 应具备高度可移植性与 可裁减性。 一个具备良好移植性的嵌入式 GUI 系统，其底层接口应该在很大程度上隐藏具体硬 件的实现细节，抽象出以 GAL 与 IAL 层。GAL 层完成系统对具体的显示硬件设备的操 作，为程序开发人员提供统一的图形编程接口。IAL 层则需要实现对于各类不同输入设 备的控制操作，提供统一的调用接口。一个典型的嵌入式 GUI 系统结构如图 2.4 所示。 应用程序编程接口（API） 嵌入式 GUI 实现 GAL 层 图形显示设备 IAL 层 输入设备 图 2.4 嵌入式 GUI 系统结构 Qt/Embedded 是著名的 Qt 库开发商 Trolltech 公司开发的面向嵌入式系统的 Qt 版本。 因为 Qt 是 KDE 等项目使用的 GUI 支持库，许多基于 Qt 的 X Window 程序因此可以非 常方便地移植到 Qt/Embedded 上。Qt/Embedded 采用 framebuffer(帧缓冲)作为底层图形 接口。同时，将外部输入设备抽象为 keyboard 和 mouse 输入事件。Qt/Embedded 的应用 程序可以直接写内核缓冲帧，这避免开发者使用繁琐的 XLIB/Server 系统。QT/Embedded 和 QT/X 的对比见图 2.5。 14 QT 应用程序（如 Qtopia） QT 应用程序接口(API) QT/X11 QT/Embedded 库 QT/XLIB XWindows server 帧缓冲（frambuffer） Linux 内核 图 2.5 QT/Embedded 和 QT/X 的对比 Qt/Embedded 类完全采用 C+封装。丰富的控件资源和较好的可移植性是 Qt/Embedded 最为优秀的一方面。它的类库接口完全兼容于同版本的 Qt-X11,使用 X Window 下的开发工具可以直接开发基于 Qt/Embedded 的应用程序 GUI 界面。 15 3 系统硬件设计 3.1 嵌入式系统硬件结构 如图 3.1 所示，嵌入式系统的硬件部分可以分成三层：核心处理器、外围电路和外部设备。 外围电路 调试接口 时钟管理 模块 CPU 电源模块 晶振电路 复位电路 扩展端口 中断控制 器 定时器 DMA 控 制器 CPU 核心 I/O 端口 SRAM DRAM Flash ROM A/D USB LCD 键盘 外部设备 IRDA 触摸屏 Others 图 3.1 嵌入式系统硬件结构 核心处理器（CPU core）是嵌入式系统的核心部件，负责控制整个嵌入式系统的运作。 外围电路包括嵌入式系统的内存、I/O 端口、复位和电源电路、对外设的接口电路等。随 着，微电子技术的发展，许多常用的接口电路已经被集成到核心处理器中。 外部设备：嵌入式系统与真实环境交互的各种设备，包括存储设备（如 Flash Card）、I/O 设备（如键盘、鼠标、LCD 等）和打印设备（打印机、扫描仪等）。 实际中，嵌入式设备的硬件配置非常灵活。除了 CPU 和基本的外围电路，其余部分都可以 根据不用应用进行裁减。 3.2 GEC2440 结构 本文使用硬件平台广东省嵌入式软件公共技术中心开发的 GEC2440 开发板作为硬件平台， GEC2440 是模仿广为流行的三星 smdk2410 开发板而设计的低价位开发板，下面对 GEC2440 做一些简单介绍。 16 DM8900 USB 接口 9 针串口 DC/DC 电源模 块 以太网 PHY USB 发送器 RS232 驱动器 扩展接口 CPU S3C2410 微处理器 SDRAM 64MB HY57V561620 LCD 接口 内部总线 通用 IO 口 FLASH 64MB K9F1208 A/D 和 D/A 数据采样，数字口 图 3.2 GEC2440 开发板结构图 GEC2440 的设计结构框架如图 3.2 所示。图中，虚线框所包含的模块组成核心电路，虚线 框以外的模块组成接口。以 ARM920T 为内核的三星 SC32